JP2007072145A - ヘッド・マウント・ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘルメットの軽量化を図り、パイロットの前方視界を確保し、外光による影響を受けにくくし、基準位置を高い確率かつ高精度で補正することができるヘッド・マウント・ディスプレイ装置を実現する。
【解決手段】移動体に搭乗する使用者が装着するヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、ヘルメットに取り付けたミラーと、このミラーに光を投光する投光部と、前記ミラーからの反射光を受ける受光部とを備え、受光部の検出出力から補正信号を生成し、その信号を受けてジャイロセンサのドリフト誤差を補正する補正手段を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば航空機などで用いられ、パイロットのヘルメットに装備された表示画面に画像を表示するヘッド・マウント・ディスプレイ装置に関するものである。

ヘリコプタなどの航空機のコックピットで使用されるヘッド・マウント・ディスプレイ装置では、ヘルメットに装備される表示画面に、たとえばカメラで撮影した機体外部の画像を表示する。このとき、使用者の頭部の向きをセンサで検出し、ヘルメットの向きに応じて画像を切り出して表示することにより、ヘルメットの使用者は見たい方向に頭を向けるだけでその方向の画像を見ることができる。

使用者（パイロット）の頭部の動きを検出するセンサとしては、磁気式センサやジャイロセンサを用いたものが考えられる。しかし、コックピットで使用する場合、磁気式のものは航空機の機体の他のコンピュータなどと磁気干渉（ＥＭＩ）を生じる恐れがあるため、使用するのは困難である。そのため、頭部の動きを検出するセンサとしては、３軸ジャイロセンサが用いられている。

３軸ジャイロセンサは、頭の３方向であるロール角（首の傾け角度）、ピッチ角（上下の首振り運動）、ヨー角（左右の首振り運動）を検出し、パイロットの頭部の動きを算出する。

しかし、ジャイロセンサは初期化が必要であり、また、時間とともに出力値の誤差が増大し、ドリフトが生じるといった問題を有する。ドリフトが生じると、表示画面に表示した画像と実際にパイロットが向いている向きとにずれが生じ、パイロットに正確な画像を提供することができないため、定期的にドリフト補正を行う必要がある。

一般に、ジャイロセンサのドリフト補正に地磁気を利用する場合は、補正の精度は地上でジャイロセンサが静止している場合で約１ｄｅｇ、動いている場合で約３ｄｅｇと言われる。しかし、航空機などの機体中においてジャイロセンサのみで１ｄｅｇ以上の精度を実現することは非常に困難である。

従来、機体中でのジャイロセンサのドリフトを解消するために、例えば、下記の特許文献１に示される基準位置補正方法が提案されている。また、補正精度を高めるために、例えば、下記の特許文献２に示される精度向上方法が提案されている。

特許第３４０３３６１号公報 特開平１０−９８７９８号公報 段落００４２

特許文献１に示される発明は、航空機などの機体中に搭乗する使用者（パイロット）の頭部が基準となる向きに位置したとき、基準信号を出力する基準検出センサを備え、基準センサからの出力に応答して、算出した頭の向きを基準となる向きに置き換えることにより、自動的にドリフトを解消するものである。

また、特許文献２に示される方法は、ヘッド・マウント・ディスプレイ外部には発信源（投光部）を、ヘッド・マウント・ディスプレイには受信源（受光部）を設けておき、受信位置精度を上げるために、投光部または受光部のいずれかに受光領域を狭く制限するスリットを設けるというものである。

しかし、特許文献１に記載された技術は、実質的には投光部が配置されるのは使用者の前方であり、そのため受光部は使用者のヘルメット正面に取り付けられ、使用者の前方視界を妨げるという問題がある。また、ヘルメット前方に受光部を配置するため、移動体外部からの外光の影響を受けやすいという問題もある。また、航空機等においては装備品の軽量化が要求されるところ、受光部をヘルメットに配置するため、部品点数増加、配線増加に伴うヘルメットの重量増加という問題がある。

さらに、このような技術では、基準位置の補正が行われるのは投光部からの光が受光部の存在する一点に照射された時であるため、いわゆるピンポイントの補正しかできず、パイロットがちょうど基準位置判定に頭を向ける確率が低くなり、補正をかける確率自体が低くなるという問題がある。

また、特許文献２に示されるような方法では、スリットなどで受光領域を狭く制限するため、補正の精度は向上するものの、基準位置判定がよりシビアになり、補正をかける確率がさらに低くなってしまう。

本発明は、上記のような従来方法の問題をなくし、ヘルメットの軽量化を図り、パイロットの前方視界を確保し、外光による影響を受けにくくし、基準位置を高い確率かつ高精度で補正することができるヘッド・マウント・ディスプレイ装置を実現することを目的としたものである。

本発明は、従来例と同様に３軸ジャイロセンサを用いてパイロットの頭部の姿勢検出を行い、パイロットがある基準位置で基準姿勢から一定の範囲内にあるときに光学的に検知して、ドリフト補正を行うものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、移動体に搭乗する使用者が装着するヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、ヘルメットに取り付けたミラーと、このミラーに光を投光する投光部と、前記ミラーからの反射光を受ける受光部とを備え、受光部の検出出力から補正信号を生成し、その信号を受けてジャイロセンサのドリフト誤差を補正する補正手段を有することを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、前記ミラーはヘルメットの後部に配置させることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、前記受光部は、前記ミラーからの反射光のスポット径よりも大きい面積を持った受光手段であることを特徴とする。

請求項４では、請求項３に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、前記受光部は、２次元的に配置したフォトダイオードアレイであることを特徴とする。

請求項５では、請求項３または４に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、前記投光部を、受光部の中央部に配置したことを特徴とする。

請求項６では、請求項１乃至５のいずれかに記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、前記投光部から発する光を変調させ、受光部が受光した光との位相差から受光部とヘルメットとの距離を求めることを特徴とする。

受光部をヘルメット側ではなく機体側に配置することにより、ヘルメットから受光部配置による重量増加や配線増加をなくすことができ、ヘルメットを軽量化することができる。

また、ミラーをヘルメットの後部に取り付け、それに合わせて投光部、受光部を使用者の背面に配置することにより、使用者の前方の視界を妨げず、移動体外からの外光の影響を受けにくくすることができる。

また、従来例がピンポイントの補正しかできなかったのに対し、本発明では頭部の位置が基準位置における基準姿勢から一定の範囲内にあれば検出し、補正を行うことができるため、基準位置の精度が維持される確率が高い。

さらに、ヘルメットと投光部・受光部の距離および受光部の位置検出分解能によっては、補正の精度を１ｄｅｇ以下にすることができ、高精度の補正を実現することができる。

このように、ヘルメットに受光部を配置せず、ヘルメットの後方に配置したミラーと機体側に配置した投光部・受光部を用いて基準位置の補正を行うことにより、ヘルメットの軽量化を図り、パイロットの前方視界を確保し、外光による影響を受けにくくし、基準位置を高い確率かつ高精度で補正することができるヘッド・マウント・ディスプレイ装置を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明のヘッド・マウント・ディスプレイ装置を説明する。

図１は、本発明によるヘッド・マウント・ディスプレイ装置が航空機のコックピットで使用される場合の実施例であり、パイロットのヘルメット１、ヘルメット１に備えたジャイロセンサ１１、ヘルメット１の後部に配置したミラー１２、ミラー１２に光を投光する投光部２１とミラー１２からの反射光を受光する受光部２２とからなりミラー１２に向かい合うよう配置された光送受信モジュール２、光送受信モジュール２の出力および光送受信モジュール２とヘルメット１との距離からヘルメット１の姿勢を算出し、ジャイロセンサの出力値を補正する補正信号処理回路３、およびコックピット座席４から構成される。

図１の図中に示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとる。ヘルメット１の動きは、Ｘ軸周りの回転角がロール角ψ、Ｙ軸周りの回転角がピッチ角θ、Ｚ軸周りの回転角がヨー角φとなる。

図２は、光送受信モジュール２の構成を示したものである。投光部２１を光送受信モジュール２の中心に配置し、その周辺に受光部２２を配置する。投光部２１は１つのレーザダイオードモジュール２１１から構成される。受光部２２は複数のフォトダイオードモジュール２２１から構成される。

ヘルメット１の姿勢が、基準位置で基準姿勢を向いたときから一定の範囲内、例えば、ヨー角φが基準角度±１０ｄｅｇ以内、ピッチ角θが基準角度から±１０ｄｅｇ以内にあるとき、光送受信モジュール２の受光部２２にミラー１２からの反射光が照射するように受光部２２に面積を持たせる。

図３は、レーザダイオードモジュール２１１の構成を示したものであり、レンズ２１１−１およびレーザダイオード２１１−２から構成される。

図４は、フォトダイオードモジュール２２１の構成を示したものであり、レンズ２２１−１、フォトダイオード２２１−２および光学フィルタ２２１−３から構成される。レンズ２２１−１は、レンズ２２１−１に垂直に入射した光がフォトダイオードモジュール２２１−２に集光するような形状とする。光学フィルタ２２１−３はレーザダイオード２１１−２の中心波長を選択的に透過するバンドパスフィルタを採用する。

図５は、投光部２１から投光された光が、ミラー１２で反射され、光送受信モジュール２の受光部２２に戻ってくる様子を示したものである。光送受信モジュール２上で、図に示すように、機体に対し水平方向にＡ軸、鉛直方向にＢ軸を取り、投光部をＡＢ座標の原点とする。２２２は受光部２２上でミラー１２からの反射光が照らす領域（スポット）とする。なお、受光部の面積は、反射光のスポット径よりも大きくする。

ミラー１２からの反射光が照らす領域２２２の位置は、ミラー１２の傾き具合によって変化する。ヘルメット１が基準位置で基準姿勢からやや上向きの姿勢であった場合（ピッチ角成分を有する場合）、ミラー１２からの反射光が照らす領域２２２は、ＡＢ座標原点からＢ軸方向へ移動した領域となる。また、ヘルメット１が基準位置で基準姿勢からやや右向き姿勢であった場合（ヨー角成分を有する場合）、ミラー１２からの反射光が照らす領域２２２は、ＡＢ座標原点からＡ軸方向へ移動した領域となる。

図６は、反射光が照らす領域２２２の位置とヘルメット１のヨー角φとピッチ角θの関係を示した図である。反射光が照らす領域２２２の中心位置のＡＢ座標が（Ａ，Ｂ）であったとき、図６（ａ）は座標Ａとヘルメット１のヨー角φとの関係を示したものであり、図６（ｂ）は座標Ｂとヘルメット１のピッチ角θとの関係を示したものである。

図６より、ヘルメット１の姿勢は下記の式より計算することができる。
ヨー角 ：φ＝１／２×ａｔａｎ（Ａ／Ｌ）
ピッチ角：θ＝１／２×ａｔａｎ（Ｂ／Ｌ）
ここで、Ｌは投光部２１とミラー１２までのＡＢ軸平面に垂直な方向の距離である。

Ｌはレーザ測長の技術を活用することにより求めることが可能である。例えば、レーザダイオード２１１−２の発光強度を変調させ、レーザダイオード２１１−２の発光強度変動とフォトダイオード２２１−２の受光強度変動の位相差を測定することにより、距離を求めることができる。

上記計算式より、補正信号処理回路３においてヘルメット１の姿勢を算出し、ジャイロセンサの出力値の補正を行う。

例えば、投光部２１とミラー１２の距離Ｌが２０ｃｍ、受光部２２の位置検出分解能が１ｍｍとした場合、ヨー角およびピッチ角の角度分解能はおよそ０．３ｄｅｇとなり、従来よりも高精度な補正が可能である。

なお、上記計算式は、ヘルメット１が基準位置で基準姿勢を向いたときにミラー１２がＹ−Ｚ軸平面に平行になるように配置した場合のものであり、このように配置することで、ヘルメット１のヨー角φは光送受信モジュール２のＡ軸成分、ピッチ角θはＢ軸成分に分離でき、ヘルメット１の姿勢を算出する計算式が最も簡略化される。

ミラー１２がＹ−Ｚ軸平面に平行に配置されていない場合は、ヘルメット１の姿勢が水平方向（ヨー角成分）にしか動いていない場合でも反射光が照らす領域２２２のＡＢ座標に上下方向であるＢ軸成分が生じたり、ヘルメット１の姿勢が上下方向（ピッチ角成分）にしか動いていない場合でも、反射光が照らす領域２２２のＡＢ座標に水平方向であるＡ軸成分が生じる場合がある。しかし、この場合は、ミラー１２のＹ−Ｚ軸平面に対する傾きを補正する変換式を補正信号処理回路３に追加することにより、正しく基準位置の補正を行うことができる。

また、投光部２１から投光するレーザ光の広がり角は、ミラー１２で反射されて受光部２２に戻ってきたときのスポット径が、フォトダイオードモジュール２２１の直径の数倍となるようにすれば、複数のフォトダイオードモジュール２２１で受光することができる。そうすると、戻り光が照射する位置の中心位置を推定することができ、フォトダイオード２２１単体で受光する場合よりも、高分解能で中心位置を推定することができる。

また、レーザダイオード２１１−２の波長は任意に選択可能であるが、中心波長として１．３μｍまたは１．５５μｍを選択すれば、これらの波長は光通信分野で一般的に利用されているものであるため、入手性に優れ、安価で採用しやすい。また、パイロットが同時に暗視ゴーグル（Ｎｉｇｈｔ Ｖｉｓｉｏｎ Ｇｏｇｇｌｅ）を利用する可能性を考慮すると、これらの波長は暗視ゴーグルの感度波長（０．６μｍ〜０．９μｍ）から離れており、暗視ゴーグル装着時にハレーションを起こす危険性が少ないという利点もある。

また、上記赤外線レーザ以外にも、使用環境や利用目的に応じて他の指向性の強い適切な搬送波（ミリ波、超音波等が考えられる）を選択し、その搬送波に相応の発信機と受信機を用いることにより、ヘッド・マウント・ディスプレイ装置を移動体内で使用するに場合に限らず、他の使用環境や利用目的であっても同様の基準位置補正が可能なヘッド・マウント・ディスプレイ装置を実現することができる。

また、ミラー１２はレーザダイオード２１１−２の中心波長を選択的に反射するような誘電体多層膜コーティングを施すことにより、外光の影響をより低減し、基準位置検出の信頼性を高めることができる。

受光部２２の光学フィルタ２２１−３は、図７に示すように光送受信モジュール２全体を覆うような構成としてもよい。

従来例がピンポイントの補正しかできなかったのに対し、本発明ではヘルメット１の位置が基準位置における基準姿勢から一定の範囲内にあれば検出することができるため、基準位置の補正を高い確率で行うことができる。

図１は本発明のヘッド・マウント・ディスプレイ装置の構成例を示す図。 図２は本発明の光送受信モジュール２の構成を示す図。 図３は本発明の投光部２１のレーザダイオードモジュール２１１の構成を示す図。 図４は本発明の受光部２２のフォトダイオードモジュール２２１の構成を示す図。 図５は投光部２１から投光された光がミラー１２で反射されて受光部２２に戻ってくる様子を示す図。 図６はミラー１２の反射光が照らす領域２２２とヘルメットの姿勢の関係を示す図。 図７は光学フィルタ２２１−３の構成例を示す図。

符号の説明

１ ヘルメット
１１ ジャイロセンサ
１２ ミラー
２ 光送受信モジュール
２１ 投光部
２１１ レーザダイオードモジュール
２２ 受光部
２２１ フォトダイオードモジュール
２２２ 受光部２２上でミラー１２からの反射光が照らす領域（スポット）
３ 補正信号処理回路
４ コックピット座席

Claims (6)

1. 移動体に搭乗する使用者が装着するヘッド・マウント・ディスプレイ装置において、ヘルメットに取り付けたミラーと、このミラーに光を投光する投光部と、前記ミラーからの反射光を受ける受光部とを備え、受光部の検出出力から補正信号を生成し、その信号を受けてジャイロセンサのドリフト誤差を補正する補正手段を有することを特徴とするヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
2. 前記ミラーはヘルメットの後部に配置させることを特徴とする請求項１に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
3. 前記受光部は、前記ミラーからの反射光のスポット径よりも大きい面積を持った受光手段であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
4. 前記受光部は、２次元的に配置したフォトダイオードアレイであることを特徴とする請求項３に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
5. 前記投光部を、受光部の中央部に配置したことを特徴とする請求項３または４に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
6. 前記投光部から発する光を変調させ、受光部が受光した光との位相差から受光部とヘルメットとの距離を求めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヘッド・マウント・ディスプレイ装置。
   
   
   
   

Images